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1. (WO2018224427) HYDRODYNAMISCHE KUPPLUNG
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Hydrodynamische Kupplung

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung mit einem primären beschaufelten Laufrad und einem sekundären beschaufelten Laufrad, die derart gestaltet sind, dass die beiden Laufräder rotierbar gelagert sind und einen mit Öl befüllbaren Arbeitsraum bilden, in dem durch Ausbildung einer Strömung Drehmoment von dem einen Laufrad auf das andere Laufrad übertragen werden kann. Wobei eine mitrotierende Kupplungsschale vorhanden ist, welche mit einem der Laufräder im Bereich des Außenumfangs über eine Verbindungsfläche verbunden ist und so mit diesem einen Innenraum bildet, in dem sich das andere Laufrad befindet. Weiterhin weist die Kupplung zumindest einen Öl-Auslass auf, über den das Öl aus dem Innenraum abströmen kann. Solche hydrodynamischen Kupplungen sind auch als Turbo- oder Strömungskupplungen bekannt.

Um die Drehmomentübertragung steuern zu können, muss der Arbeitsraum kontrolliert mit Öl befüllt und entleert werden können. Der Auslass erfolgt meist über Bohrungen im Bereich des Außenumfangs der mitrotierenden Schale der Kupplung. Der Zulauf erfolgt derart, dass das Öl im Bereich der Nabe der Kupplung in den Laufspalt zwischen den Laufrädern geleitet und dort in den Arbeitsraum eingezogen wird. Durch die Zentrifugalkräfte wird es radial nach außen gefördert. Diese Förderrichtung nach außen überlagert sich der Strömung im Arbeitsraum, die der Drehmomentübertragung dient, und erzeugt somit einen Öldurchsatz. Zur Steuerung des Öldurchsatzes beziehungsweise zur Steuerung der Füllung und Entleerung ist im Zulauf und oftmals auch im Auslass ein Ventil vorgesehen sein.

In DE 3610106 C1 ist beispielsweise eine solche hydrodynamische Kupplung beschrieben, die Auslassöffnungen im mitrotierenden Gehäuse aufweist, welche dauerhaft geöffnet sind. Die Füllmenge der Kupplung kann über die Regulierung des Zulaufs eingestellt werden, falls es sich um eine regelbare Kupplung handelt. Durch den Öldurchsatz wird in der Kupplung entstehende Reibungswärme

abgeführt. Der dafür benötigte Öldurchsatz ist allerding je nach Betriebszustand sehr unterschiedlich. Auf der einen Seite darf die Öffnung nicht zu klein sein, damit auch bei geringem Druck im System, zum Beispiel bei ausgeschalteter, also entleerter Kupplung noch genug Öl für die Kühlung durchströmt. Und auf der anderen Seite darf die Öffnung nicht zu groß sein, da sonst das Öl bei hohem Durchsatz also bei gefüllter Kupplung zu stark mit Luft vermischt und somit verschäumt wird.

Um das Problem zu lösen werden in der Veröffentlichung Kupplungen mit steuerbaren oder selbsttätig regulierbaren Auslassöffnungen offenbart, bei denen die Auslassöffnungen abhängig vom Betriebszustand verändert werden können, um den Öldurchsatz und damit die Kühlung an den jeweiligen Bedarf in unterschiedlichen Betriebssituationen anpassen zu können. Das erfordert allerdings erheblichen konstruktiven oder steuerungstechnischen Mehraufwand und ist somit ein gravierender Nachteil.

Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine hydrodynamische Kupplung so weiter zu entwickeln, dass ohne großen konstruktiven oder steuerungstechnischen Aufwand einerseits eine verbesserte Kühlung in allen Betriebszuständen und andererseits ein zuverlässiger Betrieb der Kupplung ohne unerwünschte Verschäumung möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine hydrodynamische Kupplung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, die die Vorrichtung zusätzlich verbessern, finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. Die erfindungsgemäße Kupplung zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich der Verbindungsfläche zwischen der Kupplungsschale und dem mit der Kupplungsschale verbundenen Laufrad eine oder mehrere Taschen vorhanden sind, die jeweils zumindest einen Öl-Auslass aufweisen und die jeweils zumindest eine Verbindungsbohrung zum Zwischenraum zwischen Kupplungsschale und Laufrad aufweisen. Die Taschen sind so gestaltet, dass das Öl aus dem Arbeitsraum durch die Tasche in den Öl-

Auslass abströmen kann und dabei zumindest teilweise in radialer Richtung durch die Tasche strömen muss.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass durch die spezielle Anordnung der Taschen mit Öl-Auslass und Verbindungsbohrung die Ölströmung beruhigt wird und so das Öl gezielt aus dem vorliegenden Öl-Luft-Gemisch abgetrennt wird. Auch bei hohem Öldurchsatz wird somit der Luftanteil und damit die Verschäumung deutlich reduziert. Des Weiteren kann die Querschnittsfläche der Öl-Auslässe problemlos so groß gewählt werden, wie es für die nötige Kühlmenge notwendig ist, die bei deaktivierter Kupplung unter dem dann geringeren Druck im Kreislauf abströmen soll. Und dennoch besteht keine Gefahr, dass die größere Fläche der Öl-Auslässe zu einer unerwünschten Verschäumung des Öls im Betrieb führt.

Die Verbindungsbohrung ist bevorzugt im radial gesehen inneren Endbereich der Tasche angeordnet. Und der Öl-Auslass ist bevorzugt im radial gesehen äußeren Endbereich der Tasche angeordnet. Mit radial innerem Endbereich ist nicht zwingend ganz innen und mit radial äußerem Endbereich ist nicht zwingend ganz außen gemeint, sondern so dass das Öl von der Eintrittsöffnung der Verbindungsbohrung in die Tasche bis zum Öl-Auslass radial nach außen strömt.

Die Taschen sind so in der Verbindungsfläche angeordnet, dass sie bevorzugt zwischen eventuell vorhandenen Löchern für Schrauben zur Flanschverbindung liegen.

Dadurch dass die Verbindungsbohrung in den Zwischenraum zwischen Kupplungsschale und dem nicht mit der Kupplungsschale verbundenen Laufrad endet, wird eine gute Ölabfuhr im Kühlbetrieb bei geleerter Kupplung erreicht. So kann verhindert werden, dass sich die Kupplung durch das für die Kühlung notwendige Öl unerwünscht füllt. Die Öffnung der Verbindungsbohrung in den Zwischenraum liegt gegenüber der Laufradkante zurückversetzt. So kann das

Kühlöl, dass zwischen Laufrad und Kupplungsschale eingebracht wird, direkt in die Taschen abfließen.

Mit Verbindungsbohrung ist nicht zwingende ein kreisförmiges Loch gemeint. Es kann durchaus auch ein anders geformter Kanal sein.

Zum Füllen der Kupplung wird Öl über einen Einlass, der sich bevorzugt nahe der Drehachse also in Nabennähe befindet, in den Laufspalt zwischen den beiden Laufrädern gebracht. Dort wird das Öl durch die Rotationsbewegung in den Arbeitsraum der Kupplung eingezogen und bildet die Strömung zwischen den beschaufelten Laufrädern aus, die dafür sorgt, dass Drehmoment übertragen wird. Um eine ausreichende Kühlung zu ermöglichen, wird immer ein Teil des Öls aus dem Arbeitsraum über die Öl-Auslässe abgeführt und neues Öl über den Einlass zugeführt. Zum Deaktivieren der Kupplung muss das Öl aus dem Arbeitsraum ganz abgelassen werden. Das erfolgt über die Öl-Auslässe und indem über den Einlass kein weiteres Öl zugeführt wird. Hierbei ist die erfindungsgemäße Gestaltung von Vorteil, da aufgrund des geringeren Schaumanteils eine größere Ölmenge durch die Auslassöffnungen abströmen kann und somit dann sehr kurze Ausschaltzeiten bis zur Deaktivierung der Kupplung erzielt werden können.

Unter Öl wird hier jede Art von Betriebsflüssigkeit verstanden, mit der die Kupplung betrieben wird; das kann beispielsweise auch Kühlmittel oder Wasser sein. Der Innenraum ist der Raum der durch das eine Laufrad und die Kupplungsschale umschlossen wird. Die Taschen sind im Bauteil ausgebildete Vertiefungen. Sie müssen nicht notwendigerweise auf allen Seiten einen Rand aufweisen, sondern können auch zum Beispiel auf einer Seite, wie etwa zum Innenraum hin, ganz oder teilweise offen sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind die Verbindungsbohrungen schräg angeordnet und zwar so, dass ihre Mittellinien mit der Rotationsachse der Laufräder jeweils einen Winkel zwischen 35° und 55° bilden. Alternativ oder zusätzlich bilden die Mittellinien auch noch einen Winkel zwischen 35° und 55° mit der radialen Richtung der Laufräder. Sind die Verbindungsbohrungen in beide Richtungen schräg liegen sie windschief zur Rotationsache. Ganz besonders bevorzugt ist die Schräge so, dass die Schleppwirkung des Primärrades das Öl ohne größere Umlenkung entlang der Mittellinie der Verbindungsbohrung in die schräge Verbindungsbohrung drückt. Dadurch ist ein guter Ölabfluss auch bei stehendem Sekundärrad und stehender Kupplungsschale gewährleistet, das heißt bei geringem Öldruck in der Kupplung.

Besonders bevorzugt ist die Kupplungsschale mit dem sekundären Laufrad verbunden. Das primäre Laufrad ist dann zum Beispiel auf einer Eingangswelle montiert. Die Eingangswelle kann eine axiale Zentralbohrung aufweisen, über die Öl zur Kühlung bei deaktivierter Kupplung zugeführt werden kann. Das Kühlöl kann in diesem Fall zwischen primärem Laufrad und Kupplungsschale am Arbeitsraum vorbei durch den Innenraum geführt werden.

Von Vorteil ist es für die erfinderische Ausführung, wenn jede Tasche genau einen Öl-Auslass im radial gesehen äüßeren Endbereich der Tasche aufweist. Dadurch kann der Aufstaueffekt besonders gut eingestellt werden.

Aus Fertigungsgründen kann es generell von Vorteil sein, die Taschen so in der Verbindungsfläche anzuordnen, dass die Seitenwände der Taschen in axialer Richtung zum einen vom Laufrad und zum anderen von der Kupplungsschale gebildet werden.

Von Vorteil für die Öl-Abscheidung aus dem Öl-Luft-Gemisch ist es, wenn jede Tasche genau einen Öl-Auslass und/oder genau eine Verbindungsbohrung aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es, die Taschen als Vertiefung in dem mit der Kupplungsschale verbundenen Laufrad auszuführen. Dabei kann die Vertiefung insbesondere ausschließlich im Laufrad vorhanden sein.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Taschen als Vertiefung in der Kupplungsschale auszuführen und insbesondere auch so, dass die Vertiefung ausschließlich in der Kupplungsschale vorhanden ist.

Ebenso kann es auch eine Kombination der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geben, in der die Vertiefung der Taschen zum Teil im Laufrad und zum Teil in der Kupplungsschale eingearbeitet ist.

Die Taschen sind insbesondere so gestaltet, dass die in Umfangsrichtung gemessene Breite und/oder die in axialer Richtung gemessene Tiefe der Taschen in radialer Richtung nach außen zumindest abschnittsweise abnimmt

Durch die nach außen auftretende Verengung der Taschen wird das Öl vor dem Auslass zusätzlich aufgestaut, bevor es unter Druck abfließt. Dabei wird das Öl aus dem im Innenraum vorhandenen Öl-Luft-Gemisch noch besser abgetrennt, indem die Öltröpchen angesammelt und die Ölströmung am Auslass beruhigt wird.

Die Verengung der Taschen nach außen kann im Wesentlichen kontinuierlich ausgeführt werden, sie kann aber auch abschnittsweise oder nur in einem Teilbereich der Tasche vorhanden sein. Ebenso könnte die Verengung stufenweise ausgeführt sein. Das erlaubt eine hohe Flexibilität bei der Fertigung.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Öl-Auslässe als im Wesentlichen radiale Bohrungen in der Kupplungsschale oder in dem mit der Kupplungsschale verbundenen Laufrad ausgebildet sind. Dadurch wird eine nochmalige Umlenkung der Strömung erreicht. Es ist bei der erfindungsgemäßen Kupplung ebenso möglich, die Auslässe als Bohrungen in tangentialer oder axialer oder in schräger Richtung vorzusehen. Die Bohrungen können insbesondere einen Stufensprung im Durchmesser aufweisen.

Besonders bevorzugt die Tasche so ausgeführt, dass der Öl-Strömungsweg durch die jeweilige Tasche eine Umlenkung um eine Umlenkkante aufweist. So können

die Öltröpfchen, die sich in der Tasche sammeln, nicht durch Luftverwirbelungen wieder herausgedrückt werden. Eine Umlenkkante kann beispielsweise eingebracht werden, indem an der Verbindungsfläche zwischen Laufrad und Kupplungsschale ein Spalt zum Innenraum vorhanden ist und indem das Laufrad im Bereich der Verbindungsfläche so gestaltet ist, dass es eine Umlenkkante für die Ölströmung ausbildet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung beträgt die maximale Tiefe der Taschen in axialer Richtung zwischen 3 und 15 mm. So ist eine weiter verbesserte Beruhigung der Strömung und eine noch verbesserte Ölabscheidung in der Tasche möglich.

Um die vorteilhafte Wirkung der Taschen gut nutzen zu können, ist eine gewisse Ausdehnung der Taschen in radialer Richtung notwendig. Insbesondere sollte die radiale Ausdehnung der Taschen deutlich größer als die Tiefe der Taschen sein. In einer besonders bevorzugten Ausführung beträgt die radiale Ausdehnung der Taschen mindestens das Vierfache der maximalen Tiefe der Taschen in axialer Richtung.

Zur weiteren Vereinfachung und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit trägt bei, dass im Bereich des Öl-Auslasses kein Ventil zur Steuerung der Auslassmenge vorhanden ist.

Ebenso ist es für die Funktion besonders vorteilhaft, wenn die Öffnung der Tasche zum Innenraum eine deutlich größere Querschnittsfläche aufweist als der Öl-Auslass einer Tasche.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform weist mehrere, bevorzugt mindestens vier, besonders bevorzugt mindestens sechs Taschen auf. Dadurch kann das Öl verteilt über den Umfang abströmen. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn die Taschen in gleichmäßigen Abständen über den Umfang verteilt sind.

Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig.1 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kupplung

Fig.2 Weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Kupplung

Fig.3 Detaildarstellung im Stirnschnitt für die in Fig.1 gezeigte

Ausführungsform

Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten.

Fig.1 zeigt die obere Hälfte einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung. Das primäre Laufrad 2 und das sekundäre Laufrad 3 bilden einen in etwa torusförmigen Arbeitsraum 6, in dem in den jeweiligen Laufrädern die Schaufeln so angeordnet sind, dass bei Füllung mit Öl Drehmoment von einem auf das andere Laufrad übertragen werden kann. Somit kann Drehmoment von der Eingangswelle 1 , auf der das primäre Laufrad 2 befestigt ist, auf die Kupplungsschale 4, die mit dem sekundären Laufrad 3 verbunden ist, übertragen werden. Die Kupplungsschale 4 und das Laufrad 3 bilden einen geschlossenen Innenraum, in dem sich das primäre Laufrad 2 befindet.

Die Ölzufuhr 15 zur Füllung der Kupplung erfolgt über den Öl-Einlass, der hier als achsnaher Spalt zwischen Laufrad 3 und Eingangswelle 1 ausgebildet ist. Das Öl wird dann aufgrund der Zentrifugalkraft durch den Laufspalt 12 in den Arbeitsraum 6 eingezogen. Und von dort in den Zwischenraum hinter Laufrad 2, durch die Verbindungsbohrung 17 und in die Taschen 7 gedrückt. Die Ölabfuhr 14 erfolgt radial außen über die Öl-Auslässe 8, die im äußeren Endbereich der Taschen 7 vorhanden sind. Bei der gezeigten Ausführung sind sie als radiale Bohrungen in der Kupplungsschale 4 dargestellt. Sie können aber ebenso gut im Laufrad 3 angeordnet sein und ebenso gut als axiale oder tangentiale oder schräge Öffnungen oder Bohrungen ausgeführt sein.

Die Verbindungsbohrungen 17 sind schräg ausgeführt und zwar sowohl schräg zur Rotationsachse der Laufräder als auch schräg zur radialen Richtung der Laufräder. Der Winkel der Mittellinie der Verbindungsbohrung 17 ist sowohl zur Rotationsachse als auch der zur radialen Richtung zwischen 35° und 55°. Durch diese Art der Schräge wird die Schleppwirkung des Laufrades 2, welches das Primärrad darstellt, ausgenutzt, um das Öl in die Taschen 7 zu drücken. Das ist besonders wichtig bei entleerter Kupplung. In diesem Zustand strömt das Öl im Zwischenraum zwischen der Rückseite des Laufrades 2 und der Kupplungsschale 4 und hat wenig Druck. Nur durch die gezielte Ausnutzung der Schleppwirkung wird das Öl sicher in die Taschen gedrückt, bevor es sich im Arbeitsraum ansammeln könnte. Dieser Betriebsfall tritt beispielsweise im Antriebsstrang eines Fahrzeugs auf, wenn der Motor im Leerlauf dreht und das Fahrzeug steht.

Bevorzugt hat jede Tasche genau einen Öl-Auslass 8 und eine Verbindungsbohrung 17.

Bei geleerter Kupplung, also wenn kein Öl im Arbeitsraum 6 sein soll, kann Öl zu Kühlung 9 am Arbeitsraum vorbei durch den Innenraum strömen, indem das Öl über ein axiale Zentralbohrung 5 in der Eingangswelle in den Bereich zwischen Laufrad 2 und Kupplungsschale 4 geleitet wird. Das Kühlöl strömt ebenfalls durch die Taschen 7 zum Auslass 8 und nach draußen.

Die Taschen 7 sind hier in der Kupplungsschale 4 vorhanden und mit im Wesentlichen konstanter Tiefe ausgeführt. Nicht zu sehen ist, dass die Breite in Umfangsrichtung radial nach außen abnehmen kann. Ein Detailbeispiel dazu ist in Fig.3 gezeigt. Es können zudem auch mehrere Taschen insbesondere mindestens vier oder mindestens sechs Taschen 7 vorhanden sein. Die Taschen 7 und das Laufrad 3 sind so ausgeführt, dass Kupplungsschale 4 und Laufrad 3 über einen Zentrierbund 1 1 radial ausgerichtet sind. Im Bereich des Zentrierbundes 1 1 können die Taschen 7 dicht abgeschlossen sein, so dass die Verbindungsbohrungen 17 die einzigen Öffnungen zum Innenraum der Kupplung sind. Im Betriebsfall mit gefüllter Kupplung ist der Druck des Öls so hoch, dass das Öl aus dem Arbeitsraum um die Kante des Laufrades 2 herum in die Verbindungsbohrungen 7 strömt. Alternativ können die Taschen 7 im Bereich des Zentrierbundes einen zusätzlichen Spalt zum Innenraum aufweisen, durch den vor allem bei gefüllter Kupplung zusätzlich Öl vom Arbeitsraum in die Tasche 7 strömen kann.

In allen Fällen, also bei Betrieb mit gefüllter Kupplung wie auch während des Entleerens oder bei einem Kühlölstrom am Arbeitsraum vorbei, kann das Öl in den Taschen 7 aufgestaut und somit aufkonzentriert werden, so dass wenig Luft enthalten ist.

In der Fig.2 ist eine andere erfindungsgemäße Ausführung dargestellt. Hier werden die Taschen 7 sowohl durch eine Vertiefung in der Verbindungsfläche des Laufrades 3 als auch durch eine Vertiefung in der Verbindungsfläche der Kupplungsschale 4 gebildet. Nicht extra dargestellt in den Figuren aber genauso möglich ist die erfindungsgemäße Variante, dass die Taschen 7 alleine als Vertiefung in das Laufrad eingearbeitet sind. In der gezeigten Ausführung weisen die Taschen 7 einen zusätzlich zur Verbindungsbohrung 17 vorhandenen Spalt zwischen Laufrad 3 und Kupplungsschale 4 auf. Durch diesen Spalt kann Öl aus dem Arbeitsraum in die Taschen 7 gelangen. Genauso gut kann allerdings die Tasche in diesem Bereich zwischen Laufrad 3 und Kupplungsschale 4 geschlossen ausgeführt werden, so dass die Verbindungsbohrungen 17 die einzigen Öffnungen zwischen Innenraum und Tasche 7 sind.

Die Ausführungsform nach Fig.1 ist in Fig.3 als Ausschnitt von der Stirnseite gesehen gezeigt. Darin zu erkennen sind das primäre Laufrad 2 mit den Schaufelvorderkanten 2a und die Kupplungsschale 4 mit dem umlaufenden Zentrierbund 1 1 , sowie mit den in die Verbindungsfläche 14 eingearbeiteten

Taschen 7. Die Taschen 7 verengen sich in radialer Richtung R nach außen kontinuierlich. Die Breite der Taschen 7 in Umfangsrichtung gemessen nimmt nach außen hin ab. Nicht erheblich ist, dass die Breite der Taschen 7 am radial innenliegenden Beginn - im Bereich der Rundungen - zunächst etwas zunimmt.

Die Verbindungsbohrung 17 ist am radial gesehen inneren Ende der Taschen und hier in einer der Ecken vorgesehen. Die Verbindungsbohrung ist windschief zur Rotationsachse angeordnet, das heißt schräg zur radialen Richtung R und schräg zur Rotationsachse des Laufrades. Der bevorzugte Winkel für beide Schrägen liegt jeweils zwischen 35° und 55° für die Mittellinie der Verbindungsbohrung angegeben.

Durch die Verengung radial nach außen werden die Öltröpfchen, die sich sammeln zusammengedrückt und von der mitgeschleppten Luft getrennt. Die so entstehende Ölsäule in der Tasche 7 drückt aufgrund der Zentrifugalkraft das Öl durch den Öl-Auslass 8 aus der Kupplung hinaus. Die Taschen 7 sind in der Verbindungsfläche 14 vorhanden und liegen zwischen den Schraubenlöchern 10 für die Flanschverbindung über die das Laufrad 3 und die Kupplungsschale 4 verbunden werden.

Fig.4 zeigt eine weitere bevorzugte Variante zu der in Fig.3 dargestellten Ausführung. Hier ist die Tasche 7 mit im Wesentlichen gleichbleibender Breite ausgeführt.

Bezugszeichenliste

1 Eingangswelle

primäres Laufrad a Schaufelkante

sekundäres Laufrad Kupplungsschale

Bohrung

6 Arbeitsraum

7 Tasche

8 Öl-Auslass

9 Kühlölstrom

10 Schraubenlöcher

1 1 Zentrierbund

12 Laufspalt

14 Ölstrom am Auslass

15 Ölstrom am Einlass

16 Verbindungsfläche

17 Verbindungsbohrung

R radiale Richtung